一个世纪前的今天,爱因斯坦颠覆了时空的定义

1915年11月25日,爱因斯坦提出了广义相对论。

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1915年的秋天,爱因斯坦的日子不太好过。一战中的柏林满目戾气,他的老婆又带着儿子逃去了瑞士。更惨的是,他还在此前提出的引力理论中发现了致命的缺陷,一切成果都通通作废了。他一个人独居在家,情绪异常糟糕。按照好友 Janos Plesch 的说法,“除非有人主动提醒,根本就不吃不喝不睡”。

在这样的状态下,1915年11月25日,爱因斯坦在普鲁士科学院提出了那个改变世界的公式:

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这个公式后来被称为“爱因斯坦引力场方程”,是广义相对论理论的核心。这是爱因斯坦对十年前“狭义相对论”的发展。作为现代物理学的基础,这两大理论改变了我们所在的世界。

相对论对我们当下的世界有何影响?

最为震撼的影响,便是促使了大爆炸宇宙论的建立

爱因斯坦试着用广义相对论从大尺度来考察宇宙,得到了与牛顿力学完全不同的结果。这是因为,当恒星的运行速度达到或接近光速,相互距离达到上亿光年时,牛顿力学已经无法下手,广义相对论便推算出了与牛顿力学经典宇宙观完全不同的动态宇宙。

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后来,经过霍金等人的进一步研究,又得到了令牛顿理论时期无法想象的一个结论,即动态宇宙必然有着起源、演化和未来。也就是说,我们的宇宙和时间有一个起点,而且也不一定是永恒的。这就形成了大爆炸宇宙论。 它的出现改变了整个20世纪,甚至是人类有史以来对客观世界最基本的认识。

它引出了黑洞的理论

广义相对论问世后,德国物理学家 Karl Schwarzschild 提出,如果把太阳压缩成半径3公里的球体,引力的强烈挤压会使太阳密度无限增大,随后产生灾难性崩塌,使太阳的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃出来。由于无法反射光,崩塌后的太阳与宇宙就分割成两个截然不同的区域,而那个分割的球面就是“黑洞视界”。

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有意思的是,当时所有科学家,包括爱因斯坦本人和证实相对论的爱丁顿,全体断然否认存在黑洞。爱因斯坦还宣布他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。

它催生了核能的诞生

在爱因斯坦提出的公式中,我们更为熟悉的是这一个:E=mc²。这就是著名的质能关系式,是相对论的一个推论。在这一理论的指导下,1939年,科学家找到了通过裂变把质量转化为能量,释放巨大原子能的中子链式反应,进而制造了原子弹。

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二战后,可以控制反应剧烈程度的核反应堆逐渐被利用于和平目的,核能成为了最新兴的清洁能源。

全球定位系统也仰赖于相对论

爱因斯坦指出:时间只是一个相对的概念,传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定,当多种因素暂时联系起来的时候,传统的计时方法就失去作用。全球定位卫星发出的信号,由于处在不同的参照系上,时空无法和地面同步,只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间,才能保证定位系统的精确。GPS的信号总是存在一定的误差,相对论效应是导致这些误差产生的原因之一。

早期的GPS接收器,其确定物体位置的误差是在15米范围内,这个误差实际是需要通过爱因斯坦相对论来进行修正的。由于全球定位系统的卫星是在不同圆心的轨道上,由于各个卫星的运行速度不同,距离地面的高度也不一样,它们之间就出现了许多不同的变化。这些信息从每颗卫星上传送到地面的接收器,就需要地面控制人员根据误差水平对卫星做出调整。

它还是超时空旅行的理论依据

去年的《星际穿越》为我们展现了“虫洞”这一超时空旅行的捷径,而这一假想的理论基础也来自相对论。

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在相对论中,如果一个人的运动速度趋近于光速,对他来说,时间就会趋近于停滞。近些年的研究发现,我们的时空结构很有可能不是单连通的,而是多连通的复杂结构。就像苹果表面上的两点,除了通过表面上的一个途径连接起来之外,有可能在苹果的内部通过一个“虫洞”连接起来。这可能是通往不同时空位置的捷径。

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百年来,人们如何纪念这一伟大理论?

■ 1951年,普林斯顿高等研究院首次以爱因斯坦的名义颁发了“阿尔伯特·爱因斯坦奖,这是是一个理论物理学的奖项,首次由奖金15000美元,后来降至5000美元。

■ 1955年8月,在爱因斯坦去世四个月之后,第99号元素被命名为“锿”(Einsteinium),以纪念爱因斯坦的贡献。

■ 1965年到1978年,美国邮局曾发行一套“著名美国人”系列邮票,其中包括爱因斯坦,面值8美分。

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■ 1973年3月5日发现的小行星2001被命名为爱因斯坦。

■ 1978年11月13日,“爱因斯坦卫星”发射升空,这是一枚哈佛-史密松天体物理中心和美国宇航局联合制造的X射线观测卫星,其原名为HEAO-2,为纪念爱因斯坦诞辰100周年而用他的名字命名。

■ 1990年,爱因斯坦的名字被镌刻在沃尔哈拉德国名人纪念堂。这个纪念堂位于德国巴伐利亚州的雷根斯堡(Regensburg)。同年《时代》杂志将爱因斯坦评选为20世纪风云人物。

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■ 2005年,国际纯粹和应用物理联合会把这一年定为国际物理年,以纪念爱因斯坦的“奇迹之年”100周年。同年,台北101展示了他经典的质能转换公式E = mc²。

■ 2008年,爱因斯坦进入美国新泽西州名人堂。

■ 最后,值得一提的是1955年4月19日,爱因斯坦辞世的第二天,《华盛顿邮报》刊登了一幅漫画来缅怀他。漫画中的地球上写着“Albert Einstein Lived Here”,图说是:“许多年以后,当外星的智慧生命透过浩瀚的宇宙俯视地球这颗‘宇宙尘埃’之时,他们在此只看到了一句话:‘阿尔伯特·爱因斯坦曾活在这里。’”

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